下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
空间人工环境学是由于航天技术的发展而产生的新兴学科，它涉及多门学科与技术，主要有热物理学、电学、光学、磁学、力学、空间物理学、真空科学与技术、深冷技术、计算机技术、自动化技术、机械工程技术等。空间人工环境主要是伴随着人类对太空的开发、利用以及空间对抗产生的，是一个全新的技术领域，主要包括空间碎片环境、空间人工等离子体环境、空间人工强电磁环境、空间人工强激光环境和空间人工高能粒子环境等。
空间碎片是伴随着人类航天发射活动而产生的太空垃圾，是对地球轨道内（高度约 200~ 36000km） 无任何功能和作用的人造物体及其碎片的统称。它与上述的宇宙天然存在的固体尘埃（微流星体）一起，并称为影响人类航天活动安全的 M / OD （ micrometeroroid / orbital debris, 微流星体/人造空间碎片）环境。空间碎片的来源包括火箭箭体、失效航天器、任务相关碎片及碎裂碎片等，按其尺寸大小可以大致分为三类：大空间碎片（直径大于 10cm） 、小空间碎片（直径小于 1 mm） 和危险碎片（直径介于大小空间碎片之间）。
空间碎片与在轨运行航天器发生碰撞所造成的破坏取决于空间碎片的质量和速度。空间碎片和航天器撞击时的平均相对速度是 10km/ s。 不同尺寸的空间碎片对航天器所造成的危害方式不同、程度不同。大碎片一旦撞上航天器将产生灾难性的破坏，毫米级空间碎片有可能穿透数毫米厚的舱壁，而微米级空间碎片因数量庞大，与航天器碰撞概率高，对航天器的长期碰撞累积效应非常严重，尤其对温控涂层、多层绝热毯、光学仪器、太阳电池阵等影响更为突出。概括起来，空间碎片对航天器造成的损伤形式主要有改变航天器表面性能、在航天器表面造成撞击坑、等离子体云效应、动量传递、表面穿孔、容器爆炸破裂、结构碎裂等。空间碎片对航天器的破坏后果是极其严重的高风险事件，这种危害随着空间活动频繁增加将会变得越来越严重。
空间人工等离子体环境是近些年学术界提出的一个全新概念，目前还处于探索研究阶段，主要包括两个方面：人工改变等离子体环境和人工产生等离子体环境。在地球电离层，可以通过强电波加热、高空核爆、粒子注入或化学物质释放等人工技术手段改变一定范围内地球电离层的等离子体环境。对于磁层及外层空间，则可直接通过喷气、等离子体喷射及粒子束轰击法产生人工等离子体环境。
人工改变等离子体环境可对通信雷达等功能造成干扰，甚至导致其暂时或者永久失效。高空核爆可以引起全球范围的大气电离，对航天器可表现出瞬态效应和累积效应，对星载元器件和电子系统造成严重损伤。同时，对于处于高真空环境运行的航天器，由于人为制造的气团、等离子体团及粒子辐照材料释气等形成的等离子体环境，在不等量带电或平台电源的影响下，还存在低气压放电的风险。
考虑到空间人工等离子体环境对航天器的一系列效应，对其深入研究具有很强的科研和潜在应用价值。人工改变电离层等离子体环境可应用于电磁波段隐身 、 HF （ 高频 ）/ VHF （ 甚高频 ）/ UHF （ 特高频）人为电离层扰动散射通信、无线电通信干扰及海底潜艇通信等，而人工产生等离子体环境在空间对抗和隐身方面具有较大的潜在应用价值。
空间人工强电磁环境的形成主要来源于高空核爆和高功率微波 （ highpower microwave, HPM） 武器产生的高功率电磁脉冲 （ high power electro magnetic pulse, HPEMP） , 其中高功率微波又可分为窄带高功率微波 （ narrow band HPM,NB - HPM） 和超宽带高功率微波 （ Ultra Wide Band HPM, UWB - HPM） 。 核电磁脉冲 （ nuclear electro magnetic pulse, NEMP） 是核爆炸时释放的 X 射线、 γ 射线与周围介质相互作用而产生的非对称性高速康普顿电子流，由于不对称分布电荷的运动，激励出了随时间变化的电磁场。这个瞬变电磁场向外传播时，能量被一些电子、电气系统耦合，影响了它们的正常工作或导致敏感元器件被破坏。高功率微波是强电磁脉冲的一种，具有高频率、短脉冲（几十纳秒）和高功率的特点，其频率范围为 300MHz~ 300GHz, 峰值功率高于 100MW。 高功率微波技术的高速发展，使其在功率上已经达到了武器应用的水平，在军事领域的用途也越来越广泛。高功率微波对航天器的作用机理和核电磁脉冲基本相似，它能够击穿电子元件，烧毁电子设备，永久性地损坏电子系统。
随着空间电子技术的发展，航天器电子系统集成度和性能越来越高，为提高其可靠性，必须对航天器整体或者敏感电子元器件进行防护设计。针对窄带高功率微波主要通过“前门”耦合的特点，可采用单器件加固、链路加固和易损系统关断等防护方法；对于主要通过“后门”耦合效应作用到航天器的超宽带高功率微波，可采用整星加固、滤波和接地等技术措施。
激光诞生初期，由于其输出功率低，只用来作为激光测距、激光制导、激光雷达和激光通信等方面的工具。随着激光发射功率的提高，激光迅速成为一种具有军事用途的武器，美、俄等国家一直在致力于高能激光武器的研究。由于激光超强的定向增益，地基、空中和天基部署激光器发射的强激光，均可对航天器造成一定的干扰或者毁伤。这种人为在太空中制造的强激光环境称为空间人工强激光环境。
强激光的毁伤效应主要体现为光效应和热效应，光效应主要影响航天器光学有效载荷的正常工作，热效应则会使航天器温度过高。用激光光束直接照射光学载荷，轻则可使其光电探测器部分或全部饱和，不能对目标正常成像；重则可通过损伤光学载荷系统的关键环节，如光学透镜、膜系和探测器等，直接导致其永久性失效。高能激光可通过烧蚀、激波、辐射等效应对航天器材料造成特性和状态的变化，严重影响航天器热控系统、电源系统和其他电子系统的正常工作。有针对性地对航天器进行空间强激光防护设计必将越来越受到各个航天大国的重视。
空间人工高能粒子环境主要是由于各国之间的空间对抗和竞争而产生的。人工高能粒子是高空核爆或者粒子加速器的产物，在粒子种类、注量率、入射方向和持续时间等方面与空间自然环境粒子存在较大差异 。20 世纪，美国和苏联都相继进行了多次高空核爆实验和粒子束武器的立项研究，冷战结束后，相关技术应用需求的迫切性降低，各国随之也减少了相关研发工作的投入。然而，随着近年来太空军事竞争的进一步加剧，为保障本国空间资源的安全，不排除各航天大国有重启空间粒子束武器的可能。
在入射粒子种类、能量和通量一定的情况下，对于确定的半导体器件，所产生的粒子辐射效应是确定的。然而，由于空间人工粒子环境具有持续时间短、剂量大、方向单一和人为可控的特点，其引发的效应除具有一般自然空间粒子的特性外，还可大大增加空间辐射效应的发生概率，即增强辐射效应。积极开展空间人工高能粒子效应和防护的研究对未来更好地开展航天活动有着十分重要的意义。